為了提高藥物發(fā)現(xiàn)過程的效率，藥物化學(xué)家廣泛應(yīng)用化學(xué)基因組學(xué)原理來定制合成或篩選工作，從而使候選分子與其靶點相匹配。將化合物空間與靶標(biāo)空間相關(guān)聯(lián)已經(jīng)促進(jìn)了這一領(lǐng)域的許多研究，在目前的研究中，通過在大量的化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集中專門探索分子酸堿性質(zhì)對生物活性的影響來擴(kuò)展這些研究。此外，我們還通過研究篩選化合物（包括 "天然產(chǎn)品 "組）的酸堿性質(zhì)來補(bǔ)充這些分析。

分子中存在的酸性和堿性官能團(tuán)是化學(xué)基因組學(xué)中的一個重要因素，因為它們會強(qiáng)烈影響分子的理化性質(zhì)，如親油性和水溶性，反過來，這些因素又會影響化合物在生物系統(tǒng)中的行為，即受體相互作用以及吸收、分布、代謝、排泄和毒理學(xué)（ADMET）。酸/堿性質(zhì)對ADMET特性影響的具體例子包括酸性化合物傾向于表現(xiàn)出更高的血漿蛋白結(jié)合力，從而影響分布容積，而堿性化合物則傾向于通過磷脂中毒和蛋白通道結(jié)合等機(jī)制表現(xiàn)出更大的毒性。

在配體的雜合性與分子量（MW）和分配系數(shù)（logP）等特性之間建立聯(lián)系時。更大和更親脂的分子有可能與不止一個靶點相互作用，電荷狀態(tài)也可能對非靶點選擇性起作用，因此，電離常數(shù)從根本上關(guān)系到化合物的行為方式及其整體的類藥物特性。此外，酸電離常數(shù)（pKa）值和電離狀態(tài)對藥物制劑有重要影響，尤其是在化合物需要在溶液中給藥的情況下。在影響水溶性的主要因素中，極性是一個關(guān)鍵參數(shù)，但它需要與適當(dāng)?shù)挠H脂性相平衡，才能使分子穿過膜并與特定的大分子相互作用。受體相互作用同樣需要藥物官能團(tuán)與大分子結(jié)合部位的官能團(tuán)互補(bǔ)。總之，電荷狀態(tài)和電離常數(shù)深深地影響藥物的性質(zhì)，因此需要進(jìn)一步研究藥物的酸/堿特性。

為了更深入地了解藥物的酸堿性質(zhì)，我們研究了已上市藥物的pKa分布。然而，這一項工作僅探討了當(dāng)代藥物，將其擴(kuò)展到更廣泛的化合物將是有益的。

本研究檢查藥物、對于藥物的化學(xué)基因組和篩選出的化合物的酸堿特征，對他們進(jìn)行三個層次的分析。通過化合物的統(tǒng)計以確定具有可電離官能團(tuán)的化合物，并將這些物質(zhì)分類?？呻婋x化合物的pKa值以圖表的形式顯示，包括單一酸和單一堿化合物。總之，我們希望能夠就篩選化合物或研究化學(xué)品是否符合藥物的酸堿特性提出問題。該研究旨在提高我們對酸堿特征及其對生物活性的基本影響的認(rèn)識。

實驗部分

01

對以下ZINC子集進(jìn)行了檢測：

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02

對于每個數(shù)據(jù)集，都遵循以下程序

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生物活性化合物的電離狀態(tài)強(qiáng)烈影響其在生物系統(tǒng)中的行為--該化合物如何與目標(biāo)結(jié)合位點相互作用，或如何在水環(huán)境和脂質(zhì)環(huán)境之間分離?；衔锏膶嶋H電離狀態(tài)取決于局部環(huán)境的pH值，雖然通常接近中性（~7.4），但pH值范圍很廣。例如，在腸道內(nèi)，pH值從1到8不等，而在配體結(jié)合位點的微環(huán)境中，官能團(tuán)的pKa可能會受到兩個單位或更多單位的干擾。因此，酸性和堿性行為的意義并不是簡單的電離狀態(tài)研究，它還必須包括藥物發(fā)現(xiàn)過程中遇到的一系列生物制藥情況。

選擇經(jīng)過批準(zhǔn)的藥物數(shù)據(jù)集來代表當(dāng)代治療分子。這個精心策劃的數(shù)據(jù)集由美國、歐洲和亞洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的藥物組成，從制藥和醫(yī)學(xué)的角度來看，可以被認(rèn)為是具有國際意義的。

在本研究中，我們對藥物數(shù)據(jù)集進(jìn)行了過濾，保留了所有含碳物質(zhì)，并剔除了含有重金屬、鹽類、混合物、聚合物以及分子量>1000的化合物。預(yù)測了每個分子的pKa值，并將化合物分為電荷狀態(tài)類別：始終電離（6.3%）、中性（20.2%）、單酸（14.2%）、二酸（3.5%）、單堿（27.8%）、二堿（10.1%）、簡單兩元化合物（含有一種酸和一種堿的化合物；9.5%）和復(fù)雜化合物（8.4%；表1，圖1 a）。圖1b, c顯示了藥物數(shù)據(jù)集中單酸和單堿化合物的pKa分布。

最常見的酸性基團(tuán)是羧酸、雜環(huán)氮原子、羥肟酸、酚類和磺酰胺，共占酸性基團(tuán)的93.5%。出現(xiàn)頻率較低的酸是磷酸鹽、酰亞胺、硫酸鹽、碳酸、四唑、氨基甲酸酯、醇、酸性酰胺、酸性苯胺、酰肼和硫醇。最常見的堿性基團(tuán)是脂肪族胺、胍、脒、苯胺、堿性酰胺和雜環(huán)氮原子。

圖2和圖3顯示了屬于這些類別的藥物實例。有趣的是，超過60%的藥物只有一個或沒有可電離的官能團(tuán)。對含有一個堿性基團(tuán)的化合物的pKa值分布進(jìn)行回顧后發(fā)現(xiàn)，pKa值低于6.0的單一堿很少（圖1 c）。對于單一含酸物質(zhì)，pKa值在5-8范圍內(nèi)的酸性官能團(tuán)非常少（圖1b）。這與缺乏pKa值在此范圍內(nèi)的酸性官能團(tuán)有關(guān)--兩種最常見的酸性官能團(tuán)的典型pKa值分別為：羧酸鹽3.5-5，酚7.5-10.5。

表1.

 化學(xué)基因組學(xué)和篩選化合物數(shù)據(jù)

集中化合物的電荷狀態(tài)類別。

01

化學(xué)基因組學(xué)和篩選化合物數(shù)據(jù)集

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02

化學(xué)基因組數(shù)據(jù)集的酸堿特性

最后，我們比較了配體門控、電壓門控和其他離子通道（圖7）。這些化合物主要是單堿基或二堿基，但31%的電壓門控通道配體是中性的，23%的 "其他 "類化合物是單酸（主要是弱酸，如苯酚）。配體和電壓門控通道中pKa值高于7.0的堿性化合物比例分別為55.3%和64.4%，而 "其它 "離子通道中僅有14.4%的單堿基在此范圍內(nèi)。

化學(xué)基因組學(xué)旨在增加我們對小型有機(jī)化合物如何與生物系統(tǒng)相互作用和擾動生物系統(tǒng)的了解。如果能將這些知識轉(zhuǎn)化為用于篩選目的的定制化合物集，那么我們就能實現(xiàn)改進(jìn)藥物發(fā)現(xiàn)方法的目標(biāo)。從上面的分析可以清楚地看出，每一類配體都具有不同的酸堿分布。圖8顯示了已知靶標(biāo)家族的23個化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集的主成分分析（PCA）圖，采用化合物類別、兩性溶解物比例和pKa分布數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，揭示了靶標(biāo)家族的聚類。PCA的載荷（附錄1，Supping Information）顯示，PC1與堿基pKa分布數(shù)據(jù)以及普通兩性離子和齊聚兩性離子的比例相關(guān)。酸性化合物位于圖譜的上部區(qū)域。PC2與電荷狀態(tài)類別數(shù)據(jù)以及部分酸pKa分布數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，堿性化合物位于左下象限。酸或堿基團(tuán)較少的化合物類別位于右下象限。

在該分析中，GPCR生物胺由于具有相似的單堿基pKa分布而靠近轉(zhuǎn)運體（主要是單胺轉(zhuǎn)運體配體）。配體門控離子通道和電壓門控離子通道也聚集在一起。PDE和激酶配體通常模擬嘌呤，這種分組反映了這些化合物的雜環(huán)性質(zhì)。GPCR前列腺素組、GPCR核苷酸組、整合素組、金屬蛋白酶組和核受體組與其他組分開，反映了特定功能基團(tuán)的高比例。例如，金屬蛋白酶配體含有可與活性金屬（如鋅）結(jié)合的特定官能團(tuán)（最常見的是羥肟酸）。與此類似，GPCR前列腺素配體也以羧酸為主。

03

篩選化合物的酸堿性質(zhì)

該分析表明，藥物和篩選數(shù)據(jù)集的酸堿構(gòu)成存在很大差異。我們有理由相信，這種差異主要是由篩選化合物的合成和供應(yīng)過程造成的。供應(yīng)商公司受制于化合物的合成可得性和成本。因此，化合物的理化性質(zhì)受到快速合成必要性的強(qiáng)烈影響。一項對醫(yī)藥化學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，他們傾向于制備可溶于有機(jī)溶劑的中性分子，并在純化過程中容易從有機(jī)溶劑中結(jié)晶出來。

高通量方法鼓勵減少合成步驟（即避免化學(xué)反應(yīng)性、可電離基團(tuán)的保護(hù)和去保護(hù)）和易于純化的化合物（例如，眾所周知，在硅膠柱上難以純化的齊聚物）。包括穩(wěn)定性在內(nèi)的其他因素可能會減少某些官能團(tuán)的數(shù)量；例如，胺類化合物在儲存過程中容易氧化。考慮到這些因素，可以理解的是，篩選化合物中(a)中性化合物較多，(b)普通兩性化合物較多，(c)pKa<7的酸較少，(d)pKa>7的堿較少。一些化合物供應(yīng)商最近提供的產(chǎn)品開始包含更多種類的藥物化學(xué)家友好型物質(zhì)，同時還出現(xiàn)了基于靶標(biāo)的產(chǎn)品系列。

天然產(chǎn)物歷來是藥物和藥物線索的重要來源，通常被認(rèn)為比純合成篩選的化合物更像藥物。一組天然產(chǎn)物的性質(zhì)與藥物相似，但它們具有更多的可旋轉(zhuǎn)鍵、立體中心和更高的分子量。盡管天然產(chǎn)物可能帶來任何優(yōu)勢，但由于處理這些化合物的復(fù)雜性，制藥行業(yè)已普遍減少在篩選中使用天然產(chǎn)物。在我們的分析中，我們發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)物組明顯不同于其他篩選化合物，它們具有藥物的某些特征。盡管ZINC天然產(chǎn)物集含有大量的中性化合物，但與篩選化合物相比，它還包括更高比例的復(fù)雜可電離化合物（始終電離、簡單和復(fù)雜化合物）以及更多的齊聚物化合物。與篩選化合物相比，單酸和單堿的pKa分布更接近于藥物。總的來說，天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)集不能被認(rèn)為與藥物的特征非常吻合，但它確實包含了藥物pKa分布的一些特征。該分析也可與Feher和Schmidt產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一起使用，F(xiàn)eher和Schmidt研究了藥物、天然產(chǎn)物和組合化學(xué)化合物的各種理化性質(zhì)。

圖 8. 化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集的主成分（PC）1 和 2 的得分圖。主成分的載荷見 "輔助信息"。PC1 和 PC2 分別與堿和酸的 pKa 值相關(guān)。酸性基團(tuán)比例較高的數(shù)據(jù)集一般位于圖譜的右上方，而堿性化合物占多數(shù)的數(shù)據(jù)集則位于圖譜的左下方。

哪些官能團(tuán)對藥物和篩選化合物的酸堿性質(zhì)負(fù)責(zé)？表5和表6顯示了對藥物、化學(xué)基因組和篩選數(shù)據(jù)集的分析。表5和表6顯示，對于藥物來說，最主要的酸性基團(tuán)是羧酸（17%）、酚類（8%）、雜環(huán)（4%）和磺胺（3%），而最重要的堿是脂肪胺（29%）、雜環(huán)胺（28%）和苯胺（5%）。

化學(xué)基因組數(shù)據(jù)集揭示了酸堿特性的巨大多樣性，反映了結(jié)合位點對配體酸堿特性的影響。例如，整合素和GPCR類原生質(zhì)集之間具有極高比例的羧酸；GPCR核苷酸和激酶非酪氨酸集具有高比例的酸性雜環(huán)氮原子，而且引人注目的是，金屬蛋白酶集一半以上含有羥肟酸（表1）。最后，核受體數(shù)據(jù)集顯示酚酸的比例較高，而酚酸在很大程度上是雌激素配體。在所有這些情況中，特定官能團(tuán)的高比例可以通過考慮其大分子結(jié)合位點的性質(zhì)來合理解釋。例如，金屬蛋白酶組中羥肟酸的高比例與該基團(tuán)需要與酶內(nèi)的鋅原子結(jié)合有關(guān)。值得注意的是，相對于藥物數(shù)據(jù)集，供應(yīng)商篩選集合中的羧酸和酚類都很缺乏，分別只有~3%和2%。

對堿性基團(tuán)的分析也提供了配體與其結(jié)合位點之間的類似聯(lián)系。整合素配體具有較高比例的堿性脒基和胍基（表6）。絲氨酸蛋白酶數(shù)據(jù)集偏愛脒基，而半胱氨酸蛋白酶數(shù)據(jù)集富含苯胺基。酪氨酸激酶配體含有大量堿性雜環(huán)氮原子。有幾類配體含有較高比例的脂肪胺：GPCR胺、GPCR肽、GPCR A類其它和轉(zhuǎn)運體。在后一種情況下，這些大分子的天然配體的基團(tuán)與化學(xué)基因組中的脂肪胺之間存在著明顯的聯(lián)系。在藥物組和篩選組中，含有脂肪族胺的化合物比例再次出現(xiàn)明顯差異，分別為29%和2%。

生物活性化合物的電離狀態(tài)強(qiáng)烈影響其在生物系統(tǒng)中的行為--該化合物如何與目標(biāo)結(jié)合位點相互作用，或如何在水環(huán)境和脂質(zhì)環(huán)境之間分離?；衔锏膶嶋H電離狀態(tài)取決于局部環(huán)境的pH值，雖然通常接近中性（~7.4），但pH值范圍很廣。例如，在腸道內(nèi)，pH值從1到8不等，而在配體結(jié)合位點的微環(huán)境中，官能團(tuán)的pKa可能會受到兩個單位或更多單位的干擾。因此，酸性和堿性行為的意義并不是簡單的電離狀態(tài)研究，它還必須包括藥物發(fā)現(xiàn)過程中遇到的一系列生物制藥情況。

藥物的酸性和堿性基團(tuán)是大部分藥物/受體相互作用的主要識別元素。在化學(xué)基因組類別中觀察到的特定酸性和堿性官能團(tuán)的聚集就證明了這一點，例如在GPCR類前列腺素配體中羧酸基團(tuán)占優(yōu)勢。

配體與其結(jié)合位點之間的酸堿互補(bǔ)性在很大程度上決定了藥物設(shè)計者所期望的親和力。配體的酸堿性質(zhì)也是親脂性的基本決定因素，親脂性對生物制藥性質(zhì)（ADMET）和非靶標(biāo)活性都有很大影響。藥物設(shè)計者還需要注意強(qiáng)離子化化合物可能會導(dǎo)致以下開發(fā)問題：吸收和分布不良、血漿蛋白結(jié)合力過高、hERG通道親和力明顯、磷脂中毒和制劑前景不佳。酸/堿特性也深深影響著制劑考慮因素和化學(xué)穩(wěn)定性。因此，在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域進(jìn)一步了解電荷狀態(tài)和pKa值有可能提高效率。

本研究的主要重點是比較藥物、化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集和篩選化合物的酸堿特征。具體來說，我們詳細(xì)描述了電荷狀態(tài)類別、單酸和單堿化合物的pKa分布、普通和齊聚物的比例，并確定了每個數(shù)據(jù)集的可電離官能團(tuán)。我們發(fā)現(xiàn)藥物和篩選化合物的特征存在差異，例如，在篩選化合物集中pKa值高于7.0的堿性化合物很少。此外，中性化合物在篩選化合物集中占主導(dǎo)地位，其數(shù)量是藥物數(shù)據(jù)集的兩倍。由于藥物發(fā)現(xiàn)是以靶點為導(dǎo)向的，我們還研究了23個化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集，以提供這些蛋白質(zhì)家族的酸堿概況。這些數(shù)據(jù)集顯示了酸/堿譜的巨大多樣性，反映了其結(jié)合位點的要求。這項工作是在我們以前研究藥物pKa譜的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

鑒于酸堿性質(zhì)對藥物行為的深刻影響，在藥物發(fā)現(xiàn)過程中考慮電荷狀態(tài)和pKa值具有深遠(yuǎn)的意義。特別是，篩選化合物的選擇非常重要，因為它們的選擇會影響命中率效率和后續(xù)的優(yōu)化過程。在選擇化合物之前對其進(jìn)行過濾的目的是避免將不適合測試或進(jìn)一步化學(xué)處理的分子納入其中?；衔锖Y選通常考慮化合物的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)多樣性、毒性或其他不受歡迎的官能團(tuán)。盡管人們意識到要平衡酸堿的比例，但在篩選化合物時對pKa分布的考慮卻較少關(guān)注。例如，阿斯利康公司用于基于片段篩選的兩個文庫。這兩個文庫被選擇為包含1:1:4的陽離子/陰離子/中性比例，以中性化合物為主。在pH值為7.0的條件下，我們的藥物數(shù)據(jù)集的酸性定義為pKa低于7.0，堿性定義為pKa高于7.0，結(jié)果陽離子/陰離子/中性的比例為2:1:2.5。

我們認(rèn)為在篩選化合物時需要考慮pKa分布以及酸性和堿性官能團(tuán)的多樣性。如果不注意這一點，那么化合物將反映供應(yīng)商數(shù)據(jù)庫的酸堿特征，并將明顯偏離藥物特征，或者更重要的是，偏離特定化學(xué)基因組家族的一般需求。可以說，通過模仿已知藥物和靶點的特征，發(fā)現(xiàn)將偏向于以前探索過的化學(xué)生物學(xué)。然而，通過在篩選方案中加入特定的酸/堿信息，而不是僅僅使用簡單的性質(zhì)篩選，有可能選擇出成功概率更大的化合物，從而提高化學(xué)基因組初篩的成功率。

我們進(jìn)行這項研究的主要目的是提供信息，擴(kuò)大藥物設(shè)計者考慮的理化性質(zhì)的廣度。我們認(rèn)為這將有助于篩選出高質(zhì)量的化合物，并突出酸堿性質(zhì)在藥物開發(fā)中的普遍影響。

   而對于生物活性物質(zhì)以及設(shè)計出的新藥的pKa，在數(shù)據(jù)庫中不能找到類似數(shù)據(jù)的情況下，需要我們對它們的pKa進(jìn)行準(zhǔn)確的測量來評估其在生物體內(nèi)的ADMET。基于這個目的下，銳拓重磅打造，歷時24個月研制的NCE P3 能完美解決這一問題。

銳拓儀器首席科學(xué)家